Mitokondrier är cellens kraftverk. Och för mitokondrier, ungefär som för dubbelhuvudmotorer staplade ihop i ett ångtåg, att arbeta i multipel har sina fördelar.

Ny forskning från Washington University i St. Louis visar att när celler delar sig snabbt, deras mitokondrier är sammansmälta. I den här konfigurationen, cellen kan mer effektivt använda syre för energi. Sammansmälta mitokondrier tar också fram en biokemisk biprodukt, aspartat, det är nyckeln till celldelning.

Detta arbete av forskare i labbet av Gary Patti, Michael och Tana Powell docent i kemi i konst och vetenskap, rapporterades i en nyligen publicerad publikation i tidskriften eLife. Den belyser det inre arbetet hos delande celler och visar hur mitokondrier kombineras för att hjälpa celler att föröka sig på oväntade sätt.

Med tanke på att cancerceller är kända för att dela sig i en skenande takt, de nya rönen kan få konsekvenser för cancerdiagnostik och behandling.

"De flesta studier av prolifererande celler utförs i samband med cancer, där forskare jämför en cancervävnad som växer snabbt med normal vävnad som omger tumören eller en normal vävnad från en annan patient, " sa Conghui Yao, en Ph.D. kandidat i Pattis labb vid Washington University och första författare till den nya studien. "Den här typen av jämförelser är fysiologiskt relevanta men har vissa nackdelar.

"En tumör är en mycket komplicerad sak, inte bara för att den består av olika sorters celler, men också för att en tumörs miljö skiljer sig från den för frisk vävnad, " tillade hon.

Till exempel, en tumör behöver näringsämnen för att växa, men det har inte den blodkärlsinfrastruktur som vanligtvis försörjer andra friska vävnader i kroppen. Som ett resultat, tumörer svälter ofta efter syre.

Men även i närvaro av rikligt med syre, cancerceller får energi genom en relativt ineffektiv jäsningsprocess. Istället för att använda syre för att bränna glukos i sina mitokondrier för att få sin juice, cancerceller använder en "aerob glykolys"-process som omvandlar deras glukos till laktat. Denna process kallas Warburg-effekten.

Även om fenomenet har observerats i snabbt delande celler i mer än 90 år, forskarna förstår det fortfarande inte helt. De tidigaste förklaringarna antydde att mitokondrier i cancerceller är skadade på ett sätt som hindrar dem från att producera energi normalt.

Yao var bekant med Warburg-effekten och dess konsekvenser. Så när hon satte upp ett experimentellt system som gjorde det möjligt för henne att slå på och stänga av celldelning, hon blev förvånad över att se att hennes delande celler förbrukade mycket syre.

"Mycket av litteraturen hade föreslagit att delande celler skulle göra motsatsen, " sa Yao. "Så vi undersökte inte bara varför våra delande celler förbrukade mer syre, men också hur de kunde konsumera mer syre."

En del av skönheten med Yaos initiala experiment var dess enkelhet:hon kunde mäta ämnesomsättningen i en specifik celltyp under två distinkta förhållanden - när cellen delades och när den inte delade sig. Det var också så hon kunde finslipa den specifika strukturella förändringen av mitokondrier som drev effektiviteten hon observerade.

"De delande cellerna hade samma mängd mitokondrier per protein eller per massa, jämfört med icke-delande celler, sa Patti, vars forskning är inriktad på de biokemiska reaktioner som ligger till grund för ämnesomsättningen. "Men vi märkte när vi avbildade mitokondrier i dessa delande celler att de är betydligt längre."

Längre eftersom några intilliggande mitokondrier hade smält samman till en – vilket gjorde flera, angränsade mitokondrier till större, mer effektiv, energigenererande maskiner.

Den andra anmärkningsvärda saken som "mega-mitokondrier" är särskilt bra på att skapa, Yao upptäckte, är en molekyl som kallas aspartat som är nödvändig för att celler ska kunna replikera.

"Närare arbete från andra laboratorier har lärt oss att en av de viktigaste anledningarna till att delande celler behöver förbruka syre är att göra aspartat. Så det var vettigt för oss att mitokondriell fusion i delande celler skulle öka aspartatproduktionen, " sa Yao.

Yao och Patti är inte de första att observera mitokondriell fusion. Men de är bland de första att förhöra mitokondriell fusion med sofistikerade metabolomiska teknologier, möjliggör en förståelse på molekylär nivå av processen när den relaterar till celldelning. De biokemiska förändringarna de observerade kan representera processer som kan riktas mot maligna cancerceller.

"Det sägs ofta att snabbt delande cancerceller ökar jäsningen på bekostnad av minskad syreförbrukning för mitokondriell aktivitet, "Sade Patti. "Våra resultat tyder på att åtminstone några snabbt delande celler ökar båda processerna under normala oxygenerade förhållanden.

"Eftersom utnyttjandet av näringsämnen genom att snabbt dela cancerceller är grunden för olika läkemedel och diagnostiska tester, dessa fynd kan ha viktig klinisk betydelse och kan representera en metabolisk sårbarhet vid cancer, " tillade Patti.